Nanoparticules d'oxyde de nickel vertes synthétisées à partir de gingembre et d'ail : forte activité antibactérienne et catalytique

Résumé

Les nanoparticules (NP) phyto-synthétisées à toxicité chimique réduite sont devenues un élément essentiel de la nanotechnologie. Nous avons préparé des NP de NiO réduites phytochimiquement (gingembre et ail) pour remplacer les agents bactéricides et catalytiques synthétiques dans l'industrie textile. Les NP ont été caractérisées par spectroscopie UV-visible, diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie photoélectronique X (XPS), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDS), microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie électronique à transmission (MET). La synthèse est confirmée par DRX et UV-Vis avec absorption forte à 350 nm, tailles 16-52 nm (gingembre) et 11-59 nm (ail). MEB et MET confirment le polymorphisme avec formes cubiques et plus sphériques. Les quantités exactes d'extraits d'ail et gingembre (1:3,6 mL) incorporées pour synthétiser les NiO-NP ont été confirmées par FTIR. Les NP réduites phytochimiquement par l'ail présentent une activité bactéricide accrue contre Staphylococcus aureus multi-résistant (MDR) à concentrations croissantes (0,5, 1,0 mg/50 μL) et dégradent efficacement le colorant bleu de méthylène (BM). Conclusivement, les NiO-NP vertes sont des candidates prometteuses pour résoudre la résistance aux antibiotiques et comme agents catalytiques écologiques à échelle industrielle.

Introduction

La nanotechnologie concerne la matière avec au moins une dimension 1-100 nm, permettant d'ingénierer les matériaux en contrôlant leur taille [17]. Les NP, par leurs propriétés chimiques, physiques, biologiques uniques dans divers domaines dont la médecine, ont attiré une grande attention. Leurs propriétés peuvent être facilement modifiées en changeant la taille à l'échelle nanométrique [47].

Le nickel (Ni) et l'oxyde de nickel (NiO) NP ont une grande importance grâce à leurs propriétés magnétiques, catalytiques, électroniques particulières en technologie énergétique, magnétisme, biomédecine, électronique [9, 26, 35]. Le NiO avec gap de bande large 3,6-4,0 eV et structure cubique a un potentiel comme semi-conducteur type p. Ces NP, avec haute stabilité chimique, supercapacitance, capacité de transfert d'électrons, électrocatalyse, sont utilisées en biomédecine, photocatalyse, anti-inflammatoire, antibactérien [8, 10, 11, 45]. L'émergence de maladies infectieuses, surtout antibiorésistantes (MDR), a dévasté la santé publique mondiale. Généralement, souches bactériennes pathogènes Gram-positif (G+) et Gram-négatif (G-) sont parmi les menaces majeures.

Dans l'industrie laitière, la mammite bovine est une maladie problématique majeure à grand impact économique, caractérisée par changements chimiques, microbiologiques, physiques du lait, et changements pathologiques des tissus glandulaires de la mamelle [6, 19]. L'étiologie inclut agents infectieux : bactéries, virus, champignons ; les plus importants sont bactéries, divisées en pathogènes majeurs (Streptocoques, Staphylococcus aureus, Corynebacterium pyogenes, Coliformes) et mineurs (Corynebacterium bovis, Staphylocoques coagulase-négatifs) [25]. L'émergence de souches MDR Gram+ et Gram- pose menace significative [23, 32].

Zingiber officinale (gingembre) ingrédient important en Ayurveda, Unani, médecine chinoise pour divers maux : anti-nausée, aide digestive, rhumatisme, troubles hémorragiques grâce à diversité huiles volatiles : zingibérol, monoterpènes, sesquiterpènes, hydrocarbures sesquiterpéniques [12, 13, 43]. Allium sativum (ail) contient composants organosulfurés : groupes allyl sulfure, alliine, ajoène, allyl cystéine, allicine, et vitamines, phospholipides, flavonoïdes, acides aminés, acides gras orientant ses propriétés médicales [14, 24]. Nous visons à évaluer l'action bactéricide de NP NiO réduites phytochimiquement contre MDR (S. aureus), isolat de mammite bovine, premier rapport du Pakistan en recherche vétérinaire sur cet agent.

Méthodes

L'étude vise à investiguer l'action bactéricide de NiO-NP réduites phytochimiquement contre MDR (S. aureus), isolat de mammite bovine.

Matériaux

Nitrate de nickel [Ni(NO₃)₂], hydroxyde de sodium (NaOH), bleu de méthylène (BM), borohydrure de sodium (NaBH₄) grade analytique achetés Sigma-Aldrich® ; racines fraîches gingembre et ail collectées marché local. Racines séchées à l'ombre pour poids constant. Disques antibiotiques Bioanalyse® (Turquie). Milieux culture bactérienne grade analytique TM Media (Titan Biotech Ltd, Inde).

Préparation des extraits aqueux

Racines gingembre et ail pulvérisées poudre fine par broyeur électrique, conservées contenants plastiques. Poudre mélangée eau distillée DIW (1:10) sous agitation vigoureuse 70 °C 30 min. Extraits refroidis, filtrés papier Whatman n°1, stockés 4 °C (figure 1) jusqu'utilisation.

Synthèse verte des NiO-NP

Extraits aqueux gingembre et ail ratios divers (1,2, 1,8, 2,4, 3,0, 3,6, 4,2 mL) ajoutés au nitrate de nickel (0,1 M) sous agitation continue. pH 12 maintenu par NaOH (2 M) à 90 °C 2 h. Précipités formés centrifugés 10 000 tr/min 10 min, lavés DIW, séchés four air chaud 90 °C nuit (figure 1).

Caractérisation

Maxima d'absorption (λmax) NP scannés spectrophotomètre UV-Visible (Genesys 10 S) 200-800 nm. Composition de phase et structure analysées DRX (BUNKER D2 phaser) 2θ 10-80°, Cu Kα1 λ=1,540 Å. Groupes fonctionnels NiO-NP verts par FTIR ATR. Taille, forme, analyse élémentaire par MEB à émission de champ (MEB-Champ) et MET Hitachi H7100FA. Composition échantillon et gaps de bande par XPS.

Isolation et identification MDR S. aureus

Isolation de S. aureus

Échantillons lait bovin cliniquement positifs collectés hôpitaux vétérinaires/publics et fermes Punjab, Pakistan, ensemencés gélose sang mouton 5 %, incubés 37 °C 24-48 h. Colonies caractéristiques repiquées gélose sel mannitol (GSM) TM Media (Titan Biotech Ltd, Inde) en triplets pour isoler S. aureus purifié.

Identification MDR S. aureus

Identification colonies par caractéristiques morphologiques, coloration Gram, tests biochimiques (coagulase, catalase) selon Burgey's manual. Sensibilité antibiotiques par test diffusion disque selon NCCLS pour isolation MDR S. aureus. Disques : oxytétracycline (30 μg), tylosine (30 μg), gentamicine (10 μg), ciprofloxacine (5 μg), triméthoprime + sulfaméthoxazole (1,25 + 23,75 μg) sur gélose Mueller-Hinton (MH) TM Media 1×10⁸ UFC/mL, 37 °C 24 h [7]. Bactérie résistante à minimum 3 antibiotiques = MDR [28].

Activité antimicrobienne

Activité antimicrobienne in vitro extraits gingembre/ail et NiO-NP verts évaluée par diffusion dans puits gélose via mesure zone d'inhibition (mm) sur 10 isolats représentatifs MDR S. aureus lait mammite. Boîtes Pétri ensemencées 1,5×10⁸ UFC/mL (0,5 McFarland) MDR S. aureus sur GSM. Puits 6 mm formés pointe stérile. Concentrations diverses extraits aqueux individuels gingembre, ail, NiO-NP verts appliquées. Extraits : (10 mg/100 μL) et (50 mg/100 μL) ; NiO : (0,5 mg/50 μL) et (1,0 mg/50 μL). Ciprofloxacine (0,005 mg/50 μL) contrôle positif, DIW contrôle négatif (50 μL).

Analyse statistique

Efficacité antimicrobienne calculée en zone d'inhibition (mm), diamètres analysés ANOVA à un facteur SPSS 20.

Catalyse

Évaluation catalytique NiO synthétisé : borohydrure sodium aqueux frais (300 μL) mélangé 3 mL BM (0,03×10⁻³ M). 300 μL échantillon colloïdal concentration désirée ajouté. Couleur bleue BM disparaît = dégradation en leuco-BM (figure 2). Absorption notée 200-800 nm UV-Vis.

Résultats et discussion

Propriétés optiques NiO réduit phytochimiquement par extraits aqueux gingembre/ail 200-600 nm figure 3a,b. Absorbance max (λmax) NiO-NP ~350 nm (1:3,6 mL) augmentant avec concentration extraits accompagné décalage bleu. Pics absorption gingembre/ail ~275 et 280 nm. Changement couleur brusque vin rouge → vert clair après incorporation extraits racines. Largeur pics indique agglomération particules et transition électronique bande valence-conduction avec concentration extraits dans NiO révélé par bandes absorption fortes [20]. Figure 3a,b : diminution absorption NP synthétisées en augmentant/diminuant volume extrait au-delà valeur optimisée (1:3,6 mL). Gap de bande calculé par graphe Tauc (Éq. 1).

(αhv) = B(hv - E_g)¹ᐟ² (1)

α coefficient absorption, h constante Planck, B constante, υ fréquence photon, E_g énergie gap bande. Gap estimé NiO réduit phytochimiquement gingembre/ail par graphe (αhυ)¹ᐟ² vs énergie photon (hυ). Interception tangente axe x donne gaps bande figure 3c,d. Variations gaps bande : gingembre 4,15→3,1 eV ; ail 3,5→3,0 eV (figure 3c,d).

Cristallinité, taille, composition de phase NiO-NP confirmées DRX figure 4a,b. Pics 2θ 37,10° ; 43,32° ; 62,81° ; 76,51° correspondent (111), (200), (220), (311) (carte JCPDS 00-047-1049) [30]. Intensité pics = NiO hexagonal et cubique à faces centrées (fcc) taille moyenne 32,9 nm (gingembre) et 29,92 nm (ail) par D = 0,9λ/βcosθ. Pics larges = espaces oxygène et désordre réseau local [38]. Phytochimiques gingembre (flavonoïdes, alcaloïdes, tanins, saponines) et ail (allicine, allyl sulfure, alliine, acides gras, glycolipides, phénoliques, acides aminés, flavonoïdes) comme agents de capage responsables taille cristallite moyenne [14, 46].

Spectres FTIR NiO biosynthétisé gingembre/ail figure 5a,b. Large absorption 3380 cm⁻¹ = OH, largeur pic = groupe carbonyle avec étirement (N-H) amine [50]. Pic net 2313 cm⁻¹ = vibrations étirement CO₂ aérien ou dans grains NP. Absorption rapide CO₂ atmosphérique = grande surface matière [18]. Large absorption 1629 cm⁻¹ = étirement C=C cycle aromatique ; pics nets 1392, 1064 cm⁻¹ = vibrations étirement C-N amines aliphatiques [48]. Pics intenses 978 cm⁻¹ = fréquence étirement métal-oxygène NiO [44].

Décalages pics après bio-réduction NiO : 2535→2313, 1828→1629, 1585→1392 cm⁻¹ indiquent phytochimiques, terpénoïdes, flavonoïdes, polyols, protéines avec groupes fonctionnels cétones, alcools, acides carboxyliques, amines responsables chélation et capage bio-réduction [42].

Morphologie surface et taille NiO-NP réduites phytochimiquement déterminées MEB-Champ et MET figure 6a-f. NiO-NP polymorphes formes cubiques et plus sphériques (<50 nm) légère agglomération [40]. Agglomération évidente par adhérence polymère et interaction magnétique inter-particules [49].

Analyse élémentaire et caractéristiques NiO-NP synthétisées par EDS figure 7a,b : phases NiO pures confirmées. Spectres EDS : trois pics liés haute pureté Ni entre 1-10 kV. Pourcentages poids atomiques Ni, O, C, Zn : 54,69 ; 27,81 ; 18,06 ; -0,55.

XPS montre spectres C1s, O1s, Ni2p NiO-NP réduites phytochimiquement figure 8a-d : nature chimique et états liaison. Pics intenses 284,8 et 286,2 eV = spectre C1s (figure 8b) C-C et C-OH/C-O-C [21]. Pic O1s 530,8 eV (figure 8c) = groupes hydroxyles atomes oxygène, atomes oxygène adjacents lacunes nickel, ou atomes carbone oxygénés C=O [1, 15, 37]. Contribution 532,2 eV = atomes oxygène molécules eau adsorbées (NiOH) [31, 41]. Spectre Ni2p avec Ni2p3/2 et Ni2p1/2 séparés fonction gaussienne-lorentzienne en 5 composants (figure 8d). Pics intenses 872,72 et 855,82 eV = Ni2p1/2 et Ni2p3/2 avec pics satellites 879,36 et 861,57 eV [16]. Séparation spin-orbite Ni(2p1/2)-Ni(2p3/2) et niveau cœur NiO-NP = 17,28 eV, cohérent littérature [33, 34].

Activité antimicrobienne/bactéricide extraits racines gingembre/ail et NiO-NP verts/phytochimiques évaluée diffusion puits gélose via mesure zone inhibition (mm) figure 9a-d et tableau 1. Résultats : relation forte concentration NP/zones inhibition (mm). Zones inhibition significatives (P<0,05) échantillons 1 (1,2 mL:1) à 6 (4,2 mL:1) : 3-4,9 mm et 3,05-5,2 mg/mL NiO-NP gingembre (figure 9c,d) ; 3,15-5,3 et 3,75-5,9 mm NiO-NP ail contre MDR S. aureus (figure 9e,f). Extrait aqueux gingembre : efficacité nulle (figure 9a) ; ail : 2,65 et 5 mm zones inhibition concentrations faible/forte (figure 9b). Tous comparés contrôle négatif DIW (0 mm) et positif ciprofloxacine (12,55 mm). Globalement, NiO-NP réduites phytochimiquement ail : action bactéricide significativement accrue (P<0,05) vs MDR S. aureus.

La différence de tolérance au stress oxydatif dépend de facteurs : surface spécifique, morphologie, taille particules nanomateriau jouant rôle inférentiel dans potentiel action antibactérienne [29, 36]. Interaction électrostatique souches bactériennes/nano-matériaux → génération espèces réactives oxygène (ROS) responsable mort cellulaire bactérienne [2-5, 22]. Deux réactions possibles : 1) forte interaction cations Ni²⁺ parties chargées négativement paroi bactérienne → effondrement ; 2) excitation électronique bande valence-conduction par irradiation surface NiO lumière → réaction avec O₂ → radicaux O₂⁻ → H₂O₂. Production ·OH par réaction h⁺ avec eau. Espèces O₂⁻· et ·OH rôle significatif dégradation lipides/protéines surface externe bactérienne [39].

Activité catalytique

Figure 10a-e réduction catalytique BM présence extraits racines et NiO-NP verts/phytochimiques température ambiante. Figure 10a : potentiel catalytique NiO-NP voie conventionnelle ; 10b,c : extraits aqueux gingembre/ail. Capacité catalytique NiO-NP réduites phytochimiquement figure 10d,e. NiO et extraits racinaires pas nano-catalyseurs efficaces : 15, 21, 38 min réduction BM (figure 10a-c). NiO-NP gingembre : dégradation rapide (λmax = 8 min) conversion efficace BM→leuco-BM (figure 10d). NiO-NP ail : 100% réduction colorant 5 min (figure 10e).

NP vertes/phytochimiques : dégradation catalytique colorant significative par transfert électrons donneur (BH₄⁻) vers accepteur (BM) et stabilisation système par réduction énergie activation [27]. Données révèlent NP vertes nano-catalyseurs efficaces vs NP conventionnelles et extraits individuels.

Conclusion

NiO-NP avec extraits racines gingembre/ail : excellents agents bactéricides et catalytiques. Incorporation extraits groupes phytochimiques → synthèse NiO-NP réussie confirmée FTIR. Pics DRX : NiO hexagonal et fcc ; MEB : polymorphisme cubique/sphérique taille moyenne 16-52 nm (gingembre) et 11-59 nm (ail). Analyse élémentaire : nature chimique/états liaison EDS/XPS pourcentages Ni/O réels. UV-Vis : pics absorption ~350 nm, décalage bleu forte dopage. NiO-NP ail concentration forte plus puissant vs NiO-NP gingembre contre MDR S. aureus et réduction BM efficace. Ainsi, NiO vert/phytochimique extrait racine ail adoptable médecine avancée substitut résistance antibiotiques et industrie textile agent catalytique sans danger environnemental.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

EDS :

Spectroscopie X à dispersion d'énergie

fcc :

Cubique à faces centrées

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

G+ :

Gram positif

G- :

Gram négatif

JCPDS :

Comité mixte sur standards diffraction poudres

BM :

Bleu de méthylène

Ni :

Nickel

NiO :

Oxyde de nickel

nm :

Nanomètre

NP :

Nanoparticules

MEB :

Microscopie électronique à balayage

MET :

Microscopie électronique à transmission

UV-Vis :

Spectroscopie ultra-violet visible

XPS :

Spectroscopie photoélectronique X

DRX :

Diffraction rayons X